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气力卸船机液压臂架设计及其力学性能的研究 摘要 气力卸船机是一种常见的气力输送设备，用于码头散装物料的卸船。它以 空气为介质来输送物料，是一种清洁的输送装置。液压臂架是气力卸船机中的 关键设备，其性能的好坏对气力卸船机的工作效率有着直接的影响。由于工作 环境比较恶劣，要求液压臂架要有很高的可靠性，这就对气力卸船机液压臂架 的设计质量提出了很高的要求。 本文阐述了气力卸船机的工作原理，分析了其工艺流程和主要参数，以及 出现故障时的处理方法。在此基础上设计了气力卸船机液压臂架。并提出来一 种新型高效的流态化吸嘴。分析了臂架受力最恶劣的工况，即四节臂伸直，处 于水平状态。并计算了臂架在该工况下整体和每一节臂架的弯矩、扭矩以及连 接处的受力值。利用p r o e 软件建立了臂架的三维模型，并把模型导入 a b a q u s 6 9 1 软件。选取最危险的工况一一四节臂完全水平伸直进行静力学分 析，得到了该工况下的应力和位移云纹图，求出臂架所受到的最大应力和最大 位移的位置。分析了其原因，并根据分析结果对液压臂架的结构提出了改进意 见。 关键词：气力输送；液压臂架；设计；有限元分析 t h e d e s i g no f t h eh y d r a u l i cs u c t i o na r mo fp n e u m a t i c s h i pu n l o a d e ra n dt h er e s e a r c ho ni t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a b s t r a c t t h ep n e u m a t i cs h i pu n l o a d e ri sc o m m o np n e u m a t i cc o n v e y i n ge q u i p m e n t u s e dt ou n l o a db u l km a t e r i a lo nt h ep i e r i ti sac l e a nd e l i v e r yd e v i c et a k i n ga i r a st h em e d i u mf o rt h et r a n s m i s s i o no fm a t e r i a l t h eh y d r a u l i cs u c t i o na r mi s t h ek e ye q u i p m e n t ，a n dt h eq u a l i t yo fi th a sad i r e c te f f e c to nt h ee f f i c i e n c yo f t h ep n e u m a t i cs h i pu n l o a d e r t h ep o o rw o r ke n v i r o n m e n tr e q u i r e sav e r yh i g h r e l i a b i l i t yo fh y d r a u l i cs u c t i o na r m ，w h i c hd e m a n d sv e r yh i g hq u a l i t yo ft h e d e s i g no ft h eh y d r a u l i cs u c t i o na r mo fp n e u m a t i cs h i pu n l o a d e r t h i sp a p e rh a sd e s c r i b e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp n e u m a t i cs h i pu n l o a d e r ， a n a l y s i so ft h ep r o c e s sa n dt h em a i np a r a m e t e r s ，a sw e l la st h et r e a t m e n tw h e n f a i l e d o nt h i sb a s i s ，t h eh y d r a u l i cs u c t i o na r mo fp n e u m a t i cs h i pu n l o a d e ri s d e s i g n e d a n dan e we f f i c i e n tf l u i d i z a t i o n n o z z l ei s p r o p o s e d t h e n w e d e t e r m i n e dt h em o s td a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n st h a tf o u ra r m se x t e n d s t r a i g h tl e v e l l y a tl a s t ，w e m a k ea n a l y s i so ft h em o s td a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n sb yf o r c e ，a n dc a l c u l a t et h eb e n d i n gm o m e n t ，t o r q u eo ft h ew h o l ea r m a n de a c hs e c t i o na n dt h ef o r c ev a l u eo ft h ej u n c t i o n m a k eu s eo fp r o et o e s t a b l i s h3 dm o d e lo ft h es u c t i o na r m ，a n dt h e ni m p o r ti tt oa b a q u s6 9 - 1 s o f t w a r e m a k ea n a l y s i so ft h em o s td a n g e r o u sc o n d i t i o nt h a tf o u ra r m se x t e n d s t r a i g h tl e v e l l yf o rt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sc o n t o u r f i n dt h em a x i m u m d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s ，p r o b et h er e a s o n ，a n dp u tf o r w a r dt os u g g e s t i o n so n s t r u c t u r a li m p r o v e m e n t sa c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e p o r t k e y w o r d s ：p n e u m a t i cc o n v e y i n g ；h y d r a u l i cs u c t i o na r m ；d e s i g n ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 2 致谢 本论文是在导师曾亿山副教授的悉心指导下完成的。攻读硕士期间，曾老 师不但在学习上给予了精心的指导和孜孜不倦的教诲，在生活上也给予了无微 不至的关怀。曾老师渊博的学识、严谨的治学作风、平易近人的态度、对工作 和事业的执着都深深地影响着学生，使学生受益终生。在此论文完成之际，谨 向恩师致以崇高的敬意和真诚的感谢! 本课题的完成还离不开合肥水泥研究设计院王博涛高级工程师的指导和大 力协助，课题研究期间，王博涛高级工程师在气力卸船机的工作原理、系统构 成、参数计算等方面给予了我很大指导，使我受益匪浅，对课题的进展有很大 的帮助，在这里向他表示衷心的感谢! 在近三年的研究生学习与生活期间，还得到了钱钧老师、卫道柱老师、曹 剑老师的指导与帮助，在此深表谢意! 感谢我的师兄周保根，师弟朱瑞、尹华 宝、李俊、曾奇，还有师妹杨宗林在课题研究上给予我的支持和帮助! 还要感 谢我的同学杨建伟、顾立才、张军在我研究生生活中给予我的关心、陪伴和支 持，有了他们的陪伴，我的研究生生活才多姿多彩而又充满活力! 感谢张敬东同学在a b a q u s 软件应用方面给予了很多诚挚的指导；感谢李 秋华同学提供了很多相关的资料和鼓励；感谢杜家胜同学在论文排版方面给予 的帮助；他们对论文的完成提供了很大的帮助。 感谢我的父母和家人，是他们在物质上和精神上给予我无私的支持和鼓励， 才使我能够顺利完成研究生阶段的学习! 最后，衷心地感谢在百忙中抽出宝贵时间参加论文评审和论文答辩工作的 各位专家教授! 由于本人水平有限，论文中存在不足之处，恳请批评指正。 作者：耿乾坤 2 0 1 2 年4 月2 8 日 插图清单 图1 1 各种散料输送方式2 图1 2 吸送式气力输送装置3 图1 3 压送式气力输送装置4 图1 4 气力卸船机6 图2 1 负压卸船机系统组成图7 图2 2 罗茨真空泵示意图7 图2 3 袋式收尘器安装图8 图2 4 堵管示意图1 1 图3 一l 液压臂架整体外形13 图3 2 臂架液压系统原理图13 图3 3 液压缸杆端点受力图1 5 图3 4 液压缸杆端点受力图1 6 图3 5 液压缸杆端点受力图1 7 图3 6 回转支承载荷图1 9 图3 7 现场工况图1 9 图3 8 回转支承承载能力曲线2 1 图3 9 叶片式滚动吸嘴2 3 图3 一l0 喷气流化吸嘴2 3 图3 1l 喷气流化吸嘴结构图2 4 图3 1 2 气力卸船机液压臂架实物图2 6 图4 1 气力卸船机液压臂架工况2 7 图4 2 臂架受力示意图2 7 图4 3 第四节臂受力分析图2 9 图4 4 轴力图2 9 图4 5 弯矩图2 9 图4 6 扭矩图2 9 图4 7 受力分析图2 9 图4 8 受力分析图3 0 图4 9 轴力图3 0 图4 1o 弯矩图3 0 图4 1 l 扭矩图31 图4 1 2 受力分析图3 1 图4 13 受力分析图31 图4 1 4 轴力图3 2 图4 1 5 弯矩图3 2 图4 16 扭矩图3 2 图4 。1 7 受力分析图3 2 图4 1 8 受力分析图3 3 图4 一l9 轴力图3 3 图4 2 0 弯矩图3 3 图4 2 1 扭矩图3 3 图5 1 底座模型3 7 图5 2 回转支承模型3 7 图5 3 回转齿轮模型3 7 图5 4 第一节臂3 8 图5 5 第二节臂3 8 图5 。6 第三节臂3 8 图5 7 第四节臂3 8 图5 8 臂架连接方式3 8 图5 9 连杆模型3 9 图5 1 0 摇臂模型3 9 图5 1 1 整体装配图3 9 图5 1 2a b a q u s c a e 的建模顺序4 2 图5 1 3 气力输送臂架有限元模型4 4 图5 1 4 整体耦合图4 4 图5 1 5 油缸底座连接处耦合4 5 图5 1 6 定义刚体约束4 5 图5 1 7 臂的连接处的耦合4 5 图5 1 8 气力输送臂架示意图4 6 图5 19 加载效果图4 6 图5 2 0 位移云纹图4 7 图5 2 1 整体应力云纹图4 7 图5 2 2 底座和第一节臂应力云纹图4 8 图5 2 3 第二节臂应力云纹图4 8 图5 2 4 最大应力处4 9 图5 。2 5 第三节臂应力云纹图4 9 图5 2 6 第四节臂应力云纹图5 0 图5 2 7 摇臂应力云纹图5 0 2 表格清单 表3 - 1 液压缸参数18 表3 - 2 减速机参数2 l 表5 - 1 臂架钢板材料性质4 3 第一章绪论 1 1 气力输送的发展概况 人们在古代就已认识运动的空气( 即风力) 可以作为驱动和移动物体的动 力，例如风可以驱动风车舂米磨面，利用风帆船运输物资，风力吹石卷尘等【l 】， 这是最原始的空气利用。到当人们从这些现象中获得启示之后，就设想利用气 流在管道中来运送物料。基于这个设想，在1 8 世纪初期，英国科学家第一次使 用空气管道来输送邮件。在1 8 世纪中期，工程师们才发明了第一台气力输送设 备，人们用它来装卸粮食等散货。由于当时欧洲很多国家的粮食需要从国外进 口，用来输送谷物的气力输送设备开始被大范围地推广使用。然而，由于气力 输送技术还不够成熟，机械加工水平也较低，气力输送设备只能用于低混合比 的情况，在相当长的一段时间内一直停滞不前。直到19 世纪末期，气力输送技 术才有了很大程度的发展【2 】。 1 9 2 4 年，德国科学家g a s t e r s t a d t 提出了附加压损系数法，这种方法对于气 力输送系统的设计和研究都产生了深远的影响。在最近几十年，气力输送技术 的应用越来越广泛。传统的稀相气力输送具有能耗比较大，容易造成管道磨损 等缺陷，研究者们就开始把注意力更多地集中在浓相输送方面。1 9 世纪6 0 年 代，德国工程师们成功地设计出了内套管式气力输送系统；同时，瑞士也推出 了外旁通管式装置。6 0 年代末期，英国也开发出了脉冲气刀式气力输送系统。 此后，日本和美国也有陆续一些新产品问世，比如美国f u l l e r 公司的d b 泵， 至今应用仍然非常广泛【3 j 。这些新的技术的产生，标志着气力输送技术的发展 进入了一个新的阶段。 近年来，气力输送技术的应用范围得到了进一步的扩展，广泛应用于交通 运输、港口装卸、冶金、采矿、电力、化工、铸造、建材、粮食、轻纺等工业。 作为气力输送技术对新应用领域开拓最为社会重视的是气力输送用于垃圾的回 收输送系统，比如每天能收集运输处理垃圾6 0 吨的上海世博园区垃圾气力输 送系统。由于气力输送技术在环保、安全卫生上的显著优点，近年来在将其小 型多功能化上也作了有实用价值的开拓。 气力输送属于气固两相流，它在很多方面与固液、气液两相流有相似之处。 世界上很多先进国家都开始重视从多相流的角度来对气力输送的研究。从两相 流到多相流的研究进展意味着技术进步和研究深化。用现代行之有效的先进技 术来研究多相流也促进两相流理论和应用研究的提高【4 】。 我们国家在5 0 年代末期就开始把气力输送技术应用到很多工业的生产之 中。如1 9 5 8 年在浙江金华建成了了气力输送面粉车问，1 9 6 6 年在南京浦镇建 成了气力输送大米车间，之后相继有大批面粉厂和米厂使用了气力输送【5 1 。 科研机构和高等院校对于气力输送也非常重视。在很多方面的研究都已经 有了一定的深度和经验积累。早已成立了很多相关的学会和专业委员会，在不 同的行业还有不同的学组。这些都必定会推动气力输送这门年轻的学科在我国 的发展【6 卜1 9 】。 1 2 气力输送的的特点和形式 1 2 1 散料输送装置的分类和比较 散料输送是我们日常所遇到的大宗运送货物的输送方式之一，例如矿石、 煤炭、谷物、砂石、水泥以及各种工业原料等的粉体物料输送。现使用的散料 输送装置有多种方式，按其输送原理大致可分为机械输送方式、流体管道输送 方式和容器输送方式三大类，如图1 1 所示。 广带式输送机 厂循环籀送1 斗式提升机 厂机械糕一 q 燃辅黼 厂摇曳式输送机 l 槽式袖送一振动式输送机 厂蝴叫l 黧糕 厂铋叫粲裟送 散料输叫l 流僻遒输刮：糍爹贿力输送 l 水力输送- i 浆体输送 l 带轮集装容器式水力输送 l ，厂散装运输专用船、专用货车、罐车 l 问躺送一黼送t 粉运输一箱、袋 图1 1 各种散料输送方式 流体管道输送方式是一种效率高、占地少、成本低、公害小的现代化输送 方式之一。气力输送属于流体管道输送的一种，并且有着重要的地位【6 】。 1 2 2 气力输送的特点 气力输送技术之所以在很多工业场所被广泛采用，是因为它与其他输送方 式相比较有以下优点： 1 ) 改善工人工作环境，有利于健康。由于采用气力输送后，提高了对车间 内机器设备的飞尘吸除，使车间含尘浓度大大降低，改善了劳动条件，因粉尘 所致的职业病大为减少。有些气力输送装置运行平稳，只需少数人员操作管理， 可以减轻工人的劳动强度和避免某些事故的发生，它在大型码头的散装物料装 卸工作上充分表现出这种优点。 2 ) 改善工艺设备的工作条件，提高工艺效果。由于采用气力输送，在输送 的过程中对物料进行了充分的吸湿、吸热，有利于保持物料的物理特性，使某 些筛理设备的筛理效率有所提高。另外，由于气力输送系统所需的空气量的一 部分是由某些设备吸入的，这不仅有效地冷却了物料，也使设备降温并控制了 2 灰尘外扬，既减少了物料的结块、霉变、生虫，又可提高某些碾磨设备的效率。 3 ) 利用气力输送设备的特点，适当简化工艺流程。气力输送的卸料器，如 果设计合理，使用恰当，则可以在完成空气与物料分离的过程中，同时进行简 单的清理、除杂和分级，起到一风多用的作用，有时还可用热风来输送物料， 完成干燥和输送的双重任务，这样就有可能减少一些原有的工艺设备，缩短工 艺流程。 ， 4 ) 结构简单、加工和安装起来都比较方便。管道的设置也比较自由，在其 他输送设备受限而不适装设的场所，气力输送尤显其优点及适度性，使工厂的 设备布置更加合理化。 5 ) 有利于安全生产。车间内用金属管道代替一些木制提升机或其他材料， 既节约了大量的木材，又减少了火灾的发生，特别是吸尘问题得以解决，避免 了粉尘爆炸的危险性，使安全生产受到保证。 6 ) 比较适合从多处向一处的集中输送和从一处向多处的分散输送【7 1 。 它的缺点主要有： 1 ) 能耗较大。与其他输送形式相比，其能耗可超过数倍。 2 ) 对于输送物料有所限制，不宜输送含水量多、有粘附性和在告诉运动时 易产生静电的物料。颗粒尺寸一般不超过3 0 m m 。 3 ) 噪声大，必须采用消声、减震措施。气力输送中的噪声源为输料管、卸 料器与压力机械，目前一般气力输送装置的噪声均在规定以上，不加措施，将 严重造成噪声公害 6 11 8 1 。 1 2 3 气力输送系统的类型 气力输送系统可分为吸送和压送两大类。吸送系统又可根据工作压强不同 而分为低真空( 真空度小于1 0 0 0 m m 水柱) 和高真空( 真空度高1 0 0 0 m m 水柱) 两种型式。压送系统根据作用压强可分为低压( 压强小于o 5 b a r ) 和高压( 压 强为1 - 7 b a r ) 两种。此外，还有混合式气力输送系统【9 1 。 1 ) 吸送式气力输送装置的工艺布置如图1 2 所示， 图1 2 吸送式气力输送装置 图中，1 是吸嘴，2 是吸嘴到仓泵之间的料管，3 是袋式过滤器，4 是旋转 式喂料器，5 是分离器，6 是过滤器，7 是罗茨真空泵。罗茨真空泵会产生一个 负压，由管道一直传递到吸嘴处。空气和物料一起都被吸入吸嘴，经管道2 传 递到分离器5 。袋式过滤器会把空气与物料分离开，空气经由罗茨真空泵排入 大气，物料通过旋转式喂料器卸出来【8 卜【1 0 】。 2 ) 压送式 吸送式气力输送装置的工艺布置如图1 3 所示， 图1 3 压送式气力输送装置 1 储料仓2 旋转喂料器3 输料管4 收尘器5 喷射给料器6 气源7 分离器 储料仓中的物料经过旋转喂料器2 进入到输送管道中，来自气源的压缩空 气会将物料沿着料管输送至分离器7 。在这里，物料和压缩空气分离，空气经 过收尘器排入大气，物料经分离器卸出。 3 ) 混合式气力输送装置 混合式气力输送装置是把吸送式气力输送装置和压送式气力输送装置合并 在一起。物料先经过吸送式气力输送装置，从吸嘴经分离器卸出到料管中，再 经压送式气力输送装置输送到仓库中。就是把吸送式气力输送装置中的分离器 作为压送式气力输送装置中的储料仓。 1 3 气力卸船机的发展概况 1 8 9 3 年，英国研制成功了世界上第一台气力卸船机。很长一段时间内，气 力卸船机一直被一些粮食输入国用来装卸谷物。直到2 0 世纪初，才取得了长足 的发展，陆续有一些高效经济适用的新机型问世。经过一个世纪的发展，气力 卸船机已经成为了码头卸船设备中的重要角色【1 1 1 。它具有明显的优点，比如结 构简单、没有污染、成本较低等；但是也具有一些缺点，如动力消耗过大、在 工作现场会产生很大的噪声等；这些缺点在历史上很长时间内阻碍了气力卸船 机的发展。近半个世纪以来，随着科技的发展和市场的繁荣，气力卸船机又得 到了蓬勃的发展。世界上一些大的气力卸船机厂家，如瑞士b u h l e r 、比利时 4 v i g a n 、德国n e u e r o 等公司正在不断地完善气力卸船机技术，克服以往的缺陷， 推出更加完美的产品，来满足市场的需求【1 2 】。 气力卸船机在国内的应用也已经走出了低谷。随着建设事业和科学技术的 高速发展，各类工矿企业、科研和设计部门对气力卸船机的应用与研究得到了 长足的发展。在系统参数的优化，新的应用软件的开发方面取得了不错的成绩。 近年来，建材行业和食品行业的散货流通量迅速增加，而水运是非常经济使用 的物流方式，可以很乐观地预测，气力卸船机在我国的市场需求量仍然会不断 地扩大。 气力卸船机系统的工作原理是：采用真空发生装置产生负压，通过吸嘴， 将物料与一定量的空气混合后经过臂架上的输料管送到分离装置内。物料从空 气中分离后落下，进入输送机械送出或进入正压输送设备内，由空气压缩机产 生的正压，经过送料管道，将物料送入散装物料库( 仓) 。而清洁的空气则由分 离器上部排出经排风管道，从罗茨鼓风机( 真空泵) 排气1 3 排入大气。常见的气 力卸船机一般有三种形式：负压抽吸直接装车式、负压抽吸机械输送式、负压 混合气力输送式【1 3 卜【1 8 】。 1 ) 负压抽吸直接装车式 系统采用罗茨真空泵作为抽吸的动力，通过吸嘴和液压臂架将物料从散装 货仓中吸至分离器，然后采用自然沉降、旋风分离、布袋过滤等一系列工艺， 将物料与空气分离，分离后的物料经过卸料闸阀到过渡仓，再通过过渡仓的卸 料闸阀和散装机卸到运输车的物料罐里【l 引。与物料分离后的清洁的空气从分离 器上部经过排风管，进入罗茨真空泵，然后从罗茨真空泵出风口排至大气。如 图1 4 所示。 2 ) 负压抽吸机械输送式 系统采用罗茨真空泵作为抽吸的动力，通过液压臂架和吸嘴将物料从散装 货仓中吸至分离器，然后采用自然沉降、旋风分离、布袋过滤等一系列工艺， 将物料与空气分离，分离后的物料经过卸料闸阀和过渡仓，进入气化斜槽，再 通过提升机将物料输送至料仓顶，最终通过布置在料仓项的气化斜槽将物料输 送至一个或多个料仓中。与物料分离后的清洁的空气从分离器上部经过排风管， 进入罗茨真空泵，然后从罗茨真空泵出风口排至大气。 3 ) 负压混合气力输送式 系统采用罗茨真空泵作为抽吸的动力，通过液压臂架和吸嘴将物料从散装 货仓中吸至分离器，然后采用自然沉降、旋风分离、布袋过滤等一系列工艺， 将物料与空气分离，分离后的物料经过三通阀，进入到仓泵l 中，仓泵料满后 料位仪报警，三通阀切换方向，物料开始进入到仓泵2 中，与此同时仓泵1 的 加压阀、流化阀和出料阀打开，开始加压送料，物料通过管道和库顶阀门的切 换被输送至一个或多个料仓中，仓泵1 料送空后，仓泵2 料满，三通阀切换， 仓泵1 又开始进料，仓泵2 开始送料，如此2 个仓泵之间轮换进行吸料和送料。 与物料分离后的清洁的空气从分离器上部经过排风管，进入罗茨真空泵，然后 从罗茨真空泵出风口排至大气。【1 3 】【2 6 】 图1 4 气力卸船机 1 4 本论文所研究的主要内容 1 ) 首先介绍了气力输送系统的产生与在国内外的发展；论述了气力输送系 统所共有的优点与缺点；其次，分类介绍不同的气力输送装置，说明其工作原 理；再次，介绍了气力卸船机的研究现状和发展趋势及其工作原理，并从三种 不同的形式来体现气力卸船机的工作流程。 2 ) 首先把气力卸船机的组成分成两大块进行介绍；并对其中一些关键部件 单独说明。其次，列举了气力卸船机的工作流程。详细地阐述了一些主要的参 数的计算方法。包括气流速度的计算、风量的选择和系统整体压力损失等；最 后讨论了气力卸船机早工作中出现堵管故障时的解决方案。 3 ) 首先设计了气力卸船机液压臂架的液压系统。根据液压系统和臂架的载 荷对液压缸进行选型计算，其次对回转支承和减速机进行选型及校核。最后提 出了一种新型的流态化喷气吸嘴，它能够节约能耗、提高卸船效率。 4 ) 在臂架受力最恶劣的工况下对液压臂架整体、各节臂架以及他们之间的 连接处进行了受力分析。 5 ) 在p r o e 中建立了液压臂架的三维模型；并将建好的三维模型经合理 地简化后导入a b a q u s 中进行仿真分析，分析仿真结果并给出优化意见。 6 ) 对全文进行了总结和展望。 6 第二章气力卸船机技术分析 2 1 气力卸船机系统的组成 常见的气力卸船机主要由负压卸船设备和正压输送设备两部分组成，如图 所示。 f b 图2 1 负压卸船机系统组成图 正压输送设备主要包括空压机、储气罐、仓泵、减压阀、截止阀、和输送 管道等。负压卸船设备相对比较复杂，主要包括罗茨真空泵、集料过滤泵、空 压机、液压臂架以及其他控制设备，有时候根据需要还有螺旋喂料器。负压卸 船设备中的罗茨真空泵产生一个负压，作为卸船的动力源。物料以一定的混合 比经过液压臂架上的料管进入集料过滤泵。在集料过滤泵顶部安装有过滤装置 ( 布袋) 和脉冲喷吹装置。物料经过过滤之后实现料气分离，分离后的物料进 入仓泵。正压输送设备中的空压机提供正压，作为输送的动力源，压缩空气经 过储气罐进入仓泵底部把物料输送到仓库里去。在仓泵的支腿上安装有重量传 感器，集料过滤泵上也安装有料位计。这些信号采集装置把相关信息传递到控 制室，通过组态王软件，可以直观地看到仓泵中的料位情况和输送量的计量【l 。 2 1 1 罗茨真空泵 进气 泵 子 排气 图2 2 罗茨真空泵示意图 罗茨真空泵的外壳内包含有两个位差9 0 。的腰形转子，转子旋转时，转子 7 与外壳间包含的空气随着体积的变化而被压缩排出泵外。 由于吸气口与排气口可以互相倒换，则既可以抽气，也可以作排气用。所 以在有的场合，它既可以用作罗茨真空泵，也可以作为罗茨鼓风机。 2 1 2 液压臂架 液压臂架部分包括臂架、吸嘴以及臂架上的料管等。物料混合空气通过吸 嘴进入料管，所以吸嘴是整个气力卸船机系统的供料器。料管是用来输送物料 的管道，液压臂架上的料管一般是由无缝钢管和橡胶软管相间连接而成。无缝 钢管部分用卡箍固定，卡箍焊在臂架的侧面；橡胶软管部分用在两节臂之间的 关节处，在卸船工作中可以随着臂架运动而弯曲。液压臂架的主要作用是带动 吸嘴和料管运动。可以再船舱的任何位置取料。 2 1 3 收尘器 收尘器是把伴随气流一起运动的物料从气流中分离出来的设备，也叫分离 器。在气力输送中，由于物料在气流中的混合比较高，所以对收尘器的要求比 较高。在气力卸船机系统中，我们一般采用袋式收尘器，它是由特殊的滤布缝 合成细长的筒状或扁平袋状。在袋里装有用粗铁丝制成的笼状体作为支撑。袋 式收尘器安装在集料过滤泵泵体内顶部，如图2 3 所示。物料和气流一起从a 口进入集料过滤泵，b 口接罗茨真空泵。当气流经过滤布外面通向内侧时，灰 尘被留在收尘器外侧。经过过滤的气流从b 处排出。 c 是脉冲喷吹装置，每隔一定的时间，向布袋里吹气，振动滤布，将粘附 在滤布外面的灰尘掸落，落入下面的仓泵中去。 b 图2 3 袋式收尘器安装图 1 集料过滤泵2 支撑3 袋式收尘器4 脉冲喷吹装置 2 1 4 称重计量系统 称重计量系统主要包括称重传感器、d c s 模块、数据显示模块等。采用组 态王软件在电脑屏幕上显示出已经卸到仓泵里的物料。气力卸船机在卸料的时 候是连续的，但是在送料的时候是间断的。我们给称重计量系统设定一个值作 为上限，再设定另一个值作为下限。当显示计量值达到上限的时候，正压部分 开始送料，集料过滤泵与仓泵之间的进料阀关闭；当达到下限的时候，正压部 分停止送料，进料阀打开，开始往仓泵中进料。 称重计量系统在气力卸船机系统中有着重要的地位，是买卖双方进行公平 交易的一个准绳。所以，对于称重计量系统的准确性要求是很高的，在试车前 要经过反复的调试和标定。务必使其误差降到最t j , , 2 0 卜 2 5 1 。 2 2 气力卸船机工艺流程 1 ) 启动空压机，将压力调至并达到所需压力时，手动打开卸荷阀使设备处 在空载状态。 2 ) 启动罗茨真空泵。罗茨真空泵启动有手动和自动两种方式。手动启动时， 将启动模式开关处在手动位置，先按下启动开关使机器启动，问隔6 8 秒后 按切换按钮使风机切换正常运行状态；自动启动时，将启动模式开关处在自动 位置，调节时间继电器转换时间至6 8 秒，按下启动开关启动机器，间隔6 8 秒j s 时间继电器自动将风机切换到正常运行状态。 3 ) 分别启动分割轮、液压泵、吸嘴。启动完毕，将卸料阀处在自动指示位 置，在吸料时发生负压过低实行自动卸荷。 4 ) 操作液压臂架的手持按钮盒来操作液压臂架，使吸嘴插入船舱的物料中 进行吸料。 吸嘴在船舱中进行吸料操作时，首先在一个层面上吸出一个点，再水平移 动把整个层面的料卸掉。如果在一个点上吸得太深，物料会堵塞住吸嘴的进气 口，造成负载过大。 2 3 气力卸船机参数的分析 气力卸船机属于稀相气力输送的一种。它的主要参数包括气流运动速度、 物料在气流中的混合比、料管的管径、整个系统的压力损失等【4 】【5 1 。 2 3 1 气流速度 一般而言，物料颗粒的运动速度要大于在气流中的沉降速度时，才能被输 送走。然而，在实际装置中，由于颗粒之间以及颗粒和管壁之间会产生摩擦和 碰撞；在管壁附近存在有边界层；在弯头、挡板、切换阀等处气流的不均匀； 以及重力影响等原因，所需的气流速度要比颗粒沉降速度大得多。 一般，输送气流速度越大，颗粒在输料管中越接近均匀分布；气流速度逐 渐减小时，越靠近管底处，分布越密。当气流速度小于颗粒在气流中的悬浮速 度时，一部分粒子停滞在管底，一边滑动，一边被推着向前运动；气流速度进 一步减小时，则停滞的物料反复做不稳定的移动，最后停顿，产生堵塞。 当然，气流速度也不可过大，过大的话会增加能耗，并且会对设备造成磨 损。一般选择气流速度比颗粒是悬浮速度高2 0 。 2 3 2 输送的风量 对于气力输送系统，一般都会在输送终点有一个终点的气流速度u 。首先 根据公式吨= v i a , ，通过终点的气流速度可以确定气流的初始速度。又由于 理想气体状态方程：盟：些 ( 2 1 ) 7 0 t 可以得到y ：e o v o r ( 2 2 ) r o e 。 其中矿是输送的风量，即单位时间内空气的流量。单位是m 3 s 。 v o ：孚v o ( 2 3 ) 带入得到y ：刀, a 而2 1 再, o t - , , o ( 2 4 ) 4 瓦p 、7 其中， 1 1 0 一一气流是初始速度，m s 只一一标准大气压， 1 0 1 3 x 1 0 5 p a 丁一一管道中气流的温度，k d 一一管道内径， m p 一一管道的初始压力，即空压机端的压力。 瓦一一标准空气温度，2 8 8 k 。 这里得到的y 是指在管道内输送物料所需的风量，是一个理论值。而选择 空压机时必须要考虑到在吸嘴处或者阀门处的泄漏量。一般泄露量可达到总风 量的1 5 2 0 。 2 3 3 系统的压力损失 等。对于阀门和弯头等处的压力损失，可用当量长度的方法来计算【2 0 】【2 2 】 2 3 11 2 4 1 。 2 4 输送料管的堵塞 当气力输送装置设计不合理或在与设计参数不同的条件下运转时，物料可 能产生堵塞。 堵塞的原因除与粒子本身的粘附性有关外，起决定作用的往往是由于输送 气流速度过小。它可能是由于压力机械的性能下降、空气过湿、输送系统的阻 力增加、物料供给过多等原因引起的。 1 0 如图所示， 图2 4 堵管示意图 在与水平面的倾斜角为0 ，内径为d 的输送料管中，其长度为l 的区段产 生堵塞，设作用在上游侧的空气压力为p 。，下游侧的空气为p z 。取一微小区段 d l ，其受力平衡方程为： 三d 2 印= 三d 2 p b g a l ( s i 帆丘c 。s 叭l k p 万d d l ( 2 - 5 ) 见一一物料的容积重度； 兀一一颗粒与管壁的摩擦系数； p 一一区段内气体压力； k p 一一由于压力p 引起的物料垂直作用于管壁的压力。 整理后得到： 扯莩磊赢d p ( 2 - 6 ) 近似认为岛、兀及k 为常数，并按l = o 处p = p 和l = l 处p = p 2 的边界条件 = 素h 笨4 k l 一 池7 ， 通常情况下p 2 = 0 ，p l = p ，带入得到： ：一d 。n 互4 k f 竺竺掣 弦8 ， 4 k f p 6 9 ( s i n 0 + 丘c o s 臼) 7 对于水平管，0 = 0 。，则得到吹通压力为 p ：p b g d ( e 4 k 。f l 一1 ) 。4 k f , 7 对于垂直管，0 = 9 0 。，得到吹通压力为 p = 可m g d ( p 了4 k f w 1 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 在国内生产的气力卸船机工作运行的时候，堵管是很常见的现象。在设计 气力卸船机结构的时候，一定要有吹堵装置，一般都会安装一根吹堵管。在发 生堵塞的时候，要用大于吹通压力的风压去吹通。很多有经验的工程师会反复 地对管中的堵料进行吹和吸，这样更加容易使物料松动2 3 1 1 2 6 1 。 第三章气力卸船机液压臂架的设计 在气力卸船机系统中，液压臂架作用主要有三点：( 1 ) 实现臂架各节臂之间 的连接与相互支撑。( 2 ) 固定吸嘴并且把吸嘴放置于船上合适的位置，可根据需 要，不断调整其位置。( 3 ) 物料管固定在臂上，在液压臂架运动的过程中带动物 料管一起运动【33 1 。它是气力卸船机系统中最灵活的设备，是整个气力输送设备 的臂膀。 气力卸船机液压臂架主要包含有吸嘴、底座、回转平台、液压泵站和支撑 臂架以及配重块等部分，如图3 1 所示。在液压臂架的侧面焊有若干卡箍。这 些卡箍把料管固定在臂上。料管由无缝钢管与橡胶软管互相连接而成，在液压 吸臂关节处用橡胶软管连接起来。在料管最前端连接有吸嘴。支撑臂架由四节 臂组成，在底座上装有两个油缸，驱动第一节臂，在第一节臂末端安装有油缸 驱动第二节臂，以此类推。给油缸供油的油管固定在臂的侧面，关节处采用的 是高压软管连接。 3 1 液压系统设计 图3 1 液压臂架整体外形 1 滤油器2 电动机3 油泵4 压力表开关5 压力表6 电磁溢流阀7 电磁换向 阀8 叠加式双单向：肖流阀9 叠加式液控单向阀1 0 平衡阀1 1 油缸，1 2 摆线液压 马达1 3 回油过滤器 图3 2 臂架液压系统原理图 其液压系统如图3 2 所示。节流阀8 控制活塞杆运动速度。由于在液压缸 活塞缸往回缩的过程中，臂架因为自身的重量会自行下落，致使活塞向下运动 过程中产生震动和冲击，运动不平稳。所以采用外控式平衡阀1 0 来形成背压， 使运动平稳。电磁换向阀的动作由手提式按钮开关控制。当操作人员按“一上” 按钮时，电磁换向阀7 阀芯移动到左位，压力油经换向阀，单向节流阀，液控 单向阀，外控式平衡阀中的单向阀到达油缸无杆腔，推动活塞移动，则第一节 臂在油缸推动下向上升起。有杆腔液压油流回油箱。当操作人员按“一下”按 钮时，电磁换向阀7 阀芯移动到右位，压力油经过换向阀右位，流经单向节流 阀和液压锁进入液压缸有杆腔，使活塞往回缩，同时打开平衡阀，无杆腔回油， 第一节臂向下降。第二节，第三节，第四节臂运动过程与第一节相同【2 7 】 【30 1 。 3 2 液压缸选型 3 2 1 基座与第一节臂相连的双排缸 由计算可得，此处液压缸受力f = 3 3 6 6 k n ，由于是双排缸，所以一个液压缸 受力f 1 = 1 6 8 3 k n ；此即为液压缸理论作用于力f ，由于供油压力已知为p = 1 6 m p a ； 根据公式： d _ 携1 0 - 3 ( m ) ( 3 - 1 ) 式中：f l 一液压缸的理论推力，n ； 畔油压力，m p a ； 带入数据得：d = 1 1 5m m ； 由于计算f 时，没有考虑到动载荷、风力、扭矩以及后面几节臂的液压缸 重量，所以这里要选择比较大的安全余量，初步定液压缸无杆腔缸径d = 1 4 0 m m ； 对于双作用单边活塞杆液压缸，其活塞杆直径d 可以根据往复运动速比伊 ( 即面积比) 来确定： 厂= _ d ：d ，型( m ) ( 3 2 ) v缈 d 一缸筒内径，m ；这里由上面计算可知d = 0 1 4 m 伊一速比，这里选伊= 1 4 6 ( 参考机械设计手册) 带入数据得d = 7 8 6m m ； 根据手册上活塞杆直径系列 d = 8 0m m l 3 0 1 3 2 2 第一节臂与第二节臂连接缸 液压缸受力分析如图3 3 所示： 1 4 分懋葱：= 篓3 - w 篓鬻糇嘲糯峨方向 _ s m 6 3 。十f 衄e s j n 5 7 。；o “孙仕水平方向和竖直方向 f 南1 盈c o s 6 3 0 _ f c o s 2 。+ 乞c 。s 5 7 。= o ( ) f 解1 上= 面的方程组得： u ( 3 4 ：) , a3-34280 k n 曩f 篓= 4 墓5 2 萎2 ，k n 缸理论作用于力，由于供油压力已知为p ；，6 m 如： 册：。f ? 压缸的理论推力，n ； 悱，p 供油压力，m p a ； 刈 带入数据得：d = 1 8 9m ：啾 蕈求鬻，初进缸径为。：，8 。m m ， p 、4 f 一, r t d 2 j o 嗡( m p a ) f l 液压缸的理论推力，n ( 3 6 ) p 系统压力，m p a ： ” d 液压缸径，m ： 带入数据可得： 肚1 7 8 m p a ： ) 己 ” 足 浦 ( 否 是 验 捡 簟 反 要 们 豫 垦 这 在 这显然在系统额定压力之内，所以满足要求。 接下来计算活塞杆外径，根据公式 厚c m ， d 一缸筒内径，m ；这里由上面计算可知d = 0 1 8 m 伊一速比，这里选妒= 1 4 6 ： 带入数据得d = 1 0 1m m ： 根据手册上活塞杆直径系列 选择d = l1 0m m 。 3 2 3 第二节臂与第三节臂连接缸 液压缸受力分析，如图3 - 4 所示： ，r a